市政领域MBR工艺应用现状及技术特点分析

2016-11-15蒋岚岚张万里

城市道桥与防洪 2016年1期

关键词：通量处理厂反应器

刘　云，蒋岚岚，张万里，程　文

（1.无锡新区市政公用事业管理处，江苏无锡 214000；2.无锡市政设计研究院有限公司，江苏无锡 214072）

市政领域MBR工艺应用现状及技术特点分析

刘云1，蒋岚岚2，张万里2，程文2

（1.无锡新区市政公用事业管理处，江苏无锡 214000；2.无锡市政设计研究院有限公司，江苏无锡 214072）

介绍了膜生物反应器在国内市政领域的应用研究现状，初步分析了MBR工艺应用的主要原因，并从生物处理段应用技术、膜材料的应用特点、膜组件应用特点和膜通量的选择等4个方面对MBR在我国市政领域应用的技术特点进行了详细分析，以期为今后国内MBR工艺的规模化设计应用提供参考。

市政领域；膜生物反应器；应用；技术特点

0　引言

随着水资源的日趋短缺和城市化进程逐步加快，我国对污水排放标准和中水回用比例的要求逐年提高。由于地表水和地下水污染带来的饮用水安全问题日益突出，促使膜生物反应器得到了广泛的关注和应用［1］。至2014年底，我国已有近百个规模超万立方米/天的MBR市政污水处理工程投入运行。结合相关工程经验，在研究国内市政领域MBR工艺应用案例的基础上，初步分析了市政领域MBR工艺应用的技术特点，以期为今后国内MBR工艺的规模化设计应用提供参考。

1　应用研究现状

早在20世纪90年代，膜生物反应器技术就已引进中国用于废水和再生水处理［2］。从那时起，膜生物反应器在中国的研究和应用经历了以下4个主要阶段：

（1）初始实验室研究阶段（1990～2000年）

1991年MBR传入中国，1996年，国家“九五”攻关开始资助研究MBR工艺，完成了实验室小试、中试和部分示范工程的建设。

（2）深入研究及小型工程应用阶段（2001～2005年）

2001年国家推出膜产业化政策，2002年国家863重大专项资助MBR研究，MBR工艺进入了深入的研究阶段，数百至数千立方米/天规模的实际工程开始建造。

（3）规模工程应用阶段（2006～2009年）

2005年国家推出的节能减排和污水资源化利用政策促进了MBR的应用发展。其应用由中小型向大型处理设施延伸，开始出现了上万立方米/天规模的工程，并给MBR的全面推广应用奠定了初步的技术基础。

（4）全面推广应用阶段（2010至今）

从2010年开始，随着排放标准的提高、民众对环境保护意识的加强，以及膜材料价格的下降，MBR工艺开始在全国多地大规模商业化应用。处理规模在万立方米/天以上的MBR工程年新增数量迅速扩大，并且出现了近20座超10万m3/d处理规模的MBR工程（见图1）。据不完全统计，2014年底投入运行的MBR项目累计处理能力已近350×104m3/d。预计2015年底投入运行或在建的MBR项目的累计处理能力将超过600×104m3/d。

图1　市政领域大规模的膜生物反应器应用情况（含2015年在建工程）

2　应用主要原因分析

2.1排放标准的提高

从水环境的角度看，经过多年治理，目前我国大部分湖泊水质仍然处在IV类、V类、劣V类水平，生态系统脆弱。同时，向五大湖泊（滇池、巢湖、太湖、洞庭湖和鄱阳湖）排放的市政废水一直保持增加态势。对排向脆弱水体的污水提高标准已成为一种趋势。排放标准的提高是MBR工艺在中国大规模应用的主要原因，因为MBR的出水水质优于传统工艺且耐水质冲击负荷能力强。与此同时，严控出水水质的环保监督力度加大也进一步加速了MBR的应用。滇池流域的昆明市和太湖流域的无锡市的大规模应用可见一斑。

2.2回用水的需求

中国是全球最缺水的国家之一，人均可更新淡水量仅为世界平均水平的1/3，此为资源性缺水。同时，在经济发达、人口稠密的地区，人均可更新淡水量又仅为全国平均值的1/10，此为结构性缺水。更为严重的是水体污染较为严重，根据《2013年环境水资源公报》，劣V类水质占总河长的14.9%，劣V类水质断面比例达到19.5%，此为水质性缺水。水资源的短缺使市政污水进行再生回用成为缺水地区的诉求。MBR的出水水质可满足多种再生水水质标准，在回用用途和出水水质保障率上明显优于传统工艺进行深度处理后的水质，因此，回用水的需求是MBR工艺在中国大规模应用的另一原因。严重结构性缺水的华北地区MBR工艺的应用占全国市政领域应用的44%（见图2），特别是海河流域的北京市占比高达38%，其采用MBR主要出于污水回用的目的（见图3）。

图2　膜生物反应器应用区域分布

2.3土地资源紧张

随着城市化发展的不断推进，市区用地趋于紧张，空间利用率要求也不断提高，同时，人们对城市生活环境水平要求也不断提升。MBR工艺由于其污泥浓度高，占地面积小，单体构筑物少于传统工艺，使其在一些地区得到应用。由于在建成区内规划污水处理厂存在建设用地小、卫生防护距离不足等情况，近年来，越来越多的城市选择了采用MBR工艺建造地下式污水处理厂。地下式MBR污水厂建成后，地表可以建成绿地、公园，节省用地空间，对周边用地产生的影响减小。如广州京溪污水处理厂（10×104m3/d）、昆明市第十污水处理厂（15×104m3/d）、山西晋阳污水处理厂（12×104m3/d）均采用了MBR工艺建造地下式污水处理厂。

图3　膜生物反应器应用省级分布

2.4进水水质的复杂性

部分污水处理厂采用MBR工艺的原因是由于其建设在开发区内。由于开发区内企业众多，且出水性质差别较大，尽管满足接入下水道标准，但是工业废水占比较大，废水水质复杂，污染物浓度失衡。MBR工艺改善了生物处理段的微生物相，使一些难降解有机物在体积有限的生物反应器内有足够的停留时间，有利于专性菌的培养，大大提高了难降解有机物的降解效率而得到应用。如石家庄高新区污水处理厂（10×104m3/d）、无锡市高新区污水处理厂（6×104m3/d）、泰兴经济开发区滨江污水处理厂（4×104m3/d）均采用了MBR工艺。

3　MBR工艺应用技术特点分析

3.1生物处理段应用技术分析

尽管MBR工艺是利用膜的高效固液分离功能实现污水最终净化目的，但是有机污染物的去除仍然以生物处理为主导，必须要依靠合理设计的生物处理段来实现［3］。MBR工艺生物处理段形式的选择主要应考虑以下几方面：（1）进水水质情况（如难生物降解有机物浓度、碳氮比、碳磷比等）；（2）出水水质要求（尤其是对脱氮除磷的效果要求等）；（3）进水水质水量波动情况；（4）气候条件。

由于目前污水排放标准普遍提高了对脱氮除磷的要求，除极早期的MBR项目外，绝大多数MBR工艺的生物段均采用了A2/O及其改进型的脱氮除磷工艺。SBR和氧化沟主要是应用在老厂的升级改造项目中［4］。从应用的工程经验来看，在新建或扩建的市政MBR项目中，均采用各种改良的A2/O生物段处理技术较多，处理效果稳定可靠，运行管理最为方便。在老厂的升级改造项目中：原传统工艺为SBR的多改造为O或AO生物段形式，如北京密云再生水厂；原传统工艺为AO工艺的也有改造为A2/O生物段形式的，如辽阳中心区污水处理厂提标改造工程和吉林市污水处理厂（一期）提标改造工程；原传统工艺为氧化沟的，由于改造难度相对较大，会保留作为MBR的生物段形式，如北京大兴黄村污水处理厂提标改造工程。表1介绍了目前在国内应用于MBR的主要生物段处理技术［4］。

3.2膜材料应用特点分析

目前各种制备MBR膜材料的方法、膜的耐污染性、硬度、强度、通量等指标都不相同，这些关键性指标也直接影响着MBR工程的投资和运行费用。MBR工程应用在国内近十年的迅速发展，也得益于膜材料的不断进步和膜组件的更新。

膜材料决定膜制品的性能及使用寿命。现有的膜材料有有机（聚合物）及无机两类。有机膜包括纤维素类、聚酰胺类、芳香杂环类、聚砜类、聚烯烃硅橡胶类、含氟高分子；无机膜包括陶瓷膜、微孔玻璃、金属膜和碳分子筛膜。有机膜制造成本相对较低，造价便宜，制造工艺较为成熟，膜孔径和形式较为多样，应用广泛，但在运行过程中易污染、寿命较短；无机膜具有耐高温、耐强酸强碱和有机溶剂、耐微生物侵蚀、机械强度高等优点。因此，无机膜在水处理中主要的方向是一些条件苛刻的工业废水处理。

据统计，目前应用在市政污水领域MBR工艺中的膜材料普遍采用经过改性而具有稳定亲水性的有机膜，主要有PE、PES、PVC、PVDF等，见表2［5］。其中，PVDF材料由于其在机械强度、化学稳定性、抗氧化性和亲水性等方面的优势，成为目前膜材料的主流，占到项目总数的95%以上。另有采用其他有机膜材料的项目，包括：无锡市城北污水处理厂四期续建工程采用PVC材料，张家港金港污水处理厂和泰兴市滨江污水处理厂二期工程采用PES材料。

3.3膜组件应用特点分析

根据膜的形式不同，应用于MBR中的膜主要包括有中空纤维膜（HF）和平板膜（FS）两种。中空纤维膜MBR在国内市政污水项目中大规模应用较多，其优点是装填密度高、膜池体积小、制作工艺简单、造价较低，缺点是对预处理要求较高、反冲洗次数多、阻力损失较大，主要有帘式、束状、柱状和海藻式等构造形式。平板膜应用较少，其优点是跨膜压差较小、污泥浓度高、抗污堵能力强、对预处理要求较低，缺点是装填密度低、膜池占地相对较大、投资较高，主要有板式和盘式构造形式。相对而言，在高污泥浓度的MBR膜池内宜采用帘式膜或板式膜构造。

目前在污水处理行业已有成功运行MBR工程实例的各类膜产品进行分类汇总，见表2［5］。

表2　膜材料和膜组件应用情况

据统计，在万吨级以上的市政污水MBR项目中，中空纤维的帘式膜组件构造是目前我国采用最为广泛的膜组件，绝大多数项目都采用了中空纤维膜组件，占比超过95%，其中又有80%以上的项目采用了帘式膜组件构造。小部分市政污水处理项目采用了平板式膜组件，其最大规模为2× 104m3/d。这主要是由于在市政污水处理领域，进水污染物浓度相对工业废水浓度低，对于膜的抗污堵能力的要求相应较低，而投资则成为选择膜组件形式的主要因素，规模越大，平板膜与中空纤维膜的投资差也同比加大。

3.4膜通量选择分析

影响一个MBR的膜过滤系统运行稳定性的最关键因素是膜通量（或称透过速率），是指单位时间内通过单位膜面积上的流体量，一般以m3/（m2·s）或L/（m2·h）表示。由于水量变化、运行周期设置和清洗方式的不同，需考虑以下几种情况下的膜通量：（1）平均膜通量；（2）平均瞬时膜通量；（3）最大瞬时膜通量；（4）临界膜通量。通常在MBR工程项目正常运转时所采用的是平均瞬时膜通量。平均瞬时膜通量是指设计处理规模的总产水量（包括反冲洗水等系统自用水量）下，实际参与工作的膜面积（需考虑各种膜的控制运行方式，如抽吸泵的工作间隔时间、在线清洗的间隔时间等）的通量。提高设计膜通量，可以减少膜组件的数量，降低投资费用，但是过高的设计膜通量会造成膜清洗系统频繁启动，加速膜系统的老化，减少膜的寿命，间接增加膜的更换成本［6］。

从应用情况来看，在市政污水处理领域的MBR工程项目，其设计平均膜通量在14～22 L（/m2·h-1）之间，平均瞬时膜通量在15～25 L/（m2·h-1）之间。表3列举了实际膜生物反应器项目数据分析中不同时期不同膜厂家设计膜通量的变化情况。

从表3中的数据可以看出，在市政污水领域MBR应用中，关于膜通量的选择主要有以下特点：（1）设计膜通量的大小与膜的制备方法及机械强度有关，带支撑管的膜（GE、三菱、碧水源）的通量明显高于不带支撑管的湿法纺丝膜（西门子、美能、津膜科技）；（2）在相同的膜制备方法情况下，进口膜的设计通量略高于国产膜；（3）随着MBR项目应用的扩大，出于膜通量衰减和抗水量冲击能力差的考虑，与早期应用的项目相比，近阶段的设计膜通量的选择趋向于取低值。

表3　MBR设计膜通量的选择情况

4　结语

由于面临水质标准的提高以及可利用建设用地面积日益减少的双重压力，MBR工艺在市政领域中得到越来越广泛的应用。随着MBR在污水处理中的应用规模和数量越来越多，相关技术总结必不可少。初步分析了市政领域MBR工艺应用的技术特点，主要包括生物处理段应用技术、膜材料的应用特点、膜组件应用特点、膜通量的选择等4个方面，以期为今后国内MBR工艺的规模化设计应用提供参考。

［1］郑祥，魏源送.中国水处理行业可持续发展战略研究报告［R］北京:中国人民大学出版社，2013.

［2］Xiao K，XU Y，Liang S，et.Engineering application of membrane bioreactor for wastewater treatment in China:Current state and futureprospect［J］.FrontiersofEnvironmentalScience& Engineering.2014，8（6）:805-819.

［3］蒋岚岚，胡邦，张万里，等.MBR工艺在太湖流域污水处理工程中的应用［J］.给水排水，2011，37（1）:14-18.

［4］蒋岚岚，胡邦，张万里，等.城镇污水处理工程MBR工艺生化系统设计关键技术［J］.中国给水排水，2013，29（2）:25-29.

［5］蒋岚岚，张万里，胡邦，等.城镇污水处理工程MBR工艺膜系统设计关键技术［J］.中国给水排水，2011，27（20）:55-60.

［6］蒋岚岚，胡邦，张万里.膜生物反应器工艺设计及工程实例［M］.南京:河海大学出版社，2014.

［7］沈维勇.MBR工艺在北小河污水处理厂改扩建工程中的应用［J］.市政技术，2010，28（4）:114-116.

［8］杨昊，杭世琣，钱明达.无锡市梅村污水处理厂MBR工艺优化运行研究［J］.给水排水，2010，36（12）:32-35.

［9］范学军，蒋岚岚，刘学红.一体化MBR工艺处理城镇污水的工程设计［J］.中国给水排水.2010，26（10）:47-50.

［10］朱昱，陈翔，姜朝庆，等.活性污泥/微滤膜工艺用于十堰市污水处理厂升级改造［J］.中国给水排水，2010，26（18）:69-72.

［11］陈贻龙.地下式MBR工艺在广州京溪污水处理厂的应用［J］.给水排水，2010.36（7）:51～54.

［12］胡邦，蒋岚岚，张万里，等.MBR工艺在城市污水处理厂中的工程应用［J］.给水排水，2009，35（11）:22-24.

［13］施卫娟，李培培.金港地下污水处理厂工程建设及设计特点［J］.中国给水排水，2013，29（18）:81-83.

［14］宋建昕，彭铮，周进勤，等.株洲市某城镇污水处理厂扩建工程MBR工艺设计［J］.中国市政工程，2013（4）:29-31.